Clasificación de los macizos rocosos

INTRODUCCIÓN Una excavación subterránea es una estructura de gran complejidad y las únicas herramientas de las que dispone el proyectista para ayudarse en su empresa son unos modelos extraordinariamente simplificados sobre algunos de los fenómenos que se conjugan para lograr la estabilidad de la excavación. Por lo general estos modelos sólo se podrán usar para analizar determinado fenómeno a la vez, por ejemplo la influencia de discontinuidades estructurales o de grandes esfuerzos de la roca sobre la excavación. En teoría no se puede determinar bien, mas que rara vez, la interacción de estos fenómenos y el proyectista se ve forzado a tomar una serie de decisiones de diseño en las que su criterio de ingeniero y su experiencia práctica juegan un papel importante.

Si se tiene La buena fortuna de contar con un ingeniero que haya diseñado y dirigido la construcción de excavaciones en formaciones parecidas a las del proyecto, se podrán tomar las decisiones con cierta tranquilidad. Pero cuando no se cuenta con esta experiencia. ¿qué criterio habrá que utilizar para saber si las decisiones son lógicas? ¿Cómo se podrá saber si el claro es demasiado grande o si las anclas que se especifican sobran o escasean?

La respuesta consiste en emplear algún sistema de clasificación en el que se puede confrontar la problemática propia con la encontrada por otros. Tal sistema de clasificación sirve para que el proyectista tenga acceso a la experiencia sobre condiciones de roca y necesidades de refuerzo, experiencia recabada en otras obras para compararla con las condiciones supuestas en su propia obra.

Algunas de las etapas mas importantes en el desarrollo de sistemas de clasificación para los refuerzos subterráneos se reseñan a continuación:

LA CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS DE TERZAGHI En 1946, Terzaghi propuso un sistema sencillo de clasificación de roca para calcular las cargas que deben soportar los marcos de acero en los túneles. Describió varios tipos de roca y con base en su experiencia de los túneles ferrocarrileros con refuerzo de acero, en los Alpes, fijó escalas de roca según las diferentes condiciones del terreno. Este artículo tan importante, en el cual Terzaghi intentó cuantificar su experiencia de modo que pudiera servir a otros, ha tenido desde el día de su publicación un uso extenso en la construcción de túneles en América del Norte. Por la importancia histórica del tema y también por la dificultad para encontrar reproducciones del texto original, describiremos esta clasificación con mas detalle de lo que se harta normalmente.

En la introducción de la parte del articulo que trata de la estimación de las rocas cargadas, Terzaghi hace hincapié sobre la importancia de la exploración geológica que deberé hacerse antes de que se termine el diseño y sobre todo insiste en conseguir información sobre los defectos en la formación de roca. Una cita de su artículo:

"Desde el punto de vista de la ingeniería, el conocimiento del tipo de defecto en la roca y en su intensidad puede ser más importante que el tipo de roca que se pueda encontrar. Por lo tanto, durante la exploración hay que dar especial atención a los defectos en la roca. El informe geológico deberá contener una descripción detallada de los defectos observados en términos geológicos. También deberá mencionar la roca defectuosa en términos de tuneleo, como por ejemplo: roca en bloques, junteada, roca que se comprime o se expande."

En su articulo procede con la definición de estos términos de tuneleo como sigue:- Roca inalterada no tiene fisuras ni ramaleos. Por lo tanto, cuando se rompe, lo

hace a través de la roca sana. Debido al daño que se hace a la roca con el uso de explosivos, pueden caer del techo desgajes de roca varias horas o varios días después de la voladura. Esta condición se llama desprendido. La roca dura. inalterada, también puede verse afectada por chasquidos, lo que implica la separación espontánea y violenta de láminas de roca de las paredes o del techo.

- Roca estratificada está constituida por capas unitarias con poca o ninguna resistencia a la separación a lo largo del plano limítrofe entre estratos. La capa puede haberse debilitado o no debido a fracturas transversales. Los desprendidos son comunes en este tipo de rocas. - Roca medianamente fisurada tiene fisuras y ramaleos pero los bloques entre las juntas están soldados o tan íntimamente embonados que las paredes verticales no necesitan refuerzo. En rocas de este tipo. se puede encontrar a la vez el desprendido y el chasquido. - Roca agrietada en bloques es una roca químicamente inalterada o casi inalterada, cuyos fragmentos se encuentran totalmente separados unos de otros y no embonan. Esta clase de roca puede necesitar además laterales en las paredes. - Roca triturada pero químicamente sana tiene la apariencia de ser un producto de trituradora. Si los fragmentos, en su mayoría o todos, son del tamaño de arena y no ha habido recementación, la roca triturada que está abajo del nivel de las aguas freáticas tiene las propiedades de una arena saturada.

- Roca comprimida avanza lentamente en el túnel sin aumento perceptible de vo-lumen. Un prerrequisito de compresión es un porcentaje elevado de partículas microscópicas o sub-microscópicas de micas o de minerales arcillosos de poca expansibilidad. - Roca expansiva avanza básicamente en el túnel debido a su propia expansión. La capacidad de esponjamiento parece estar limitada a las rocas que contienen minerales arcillosos como la montmorillonita, con una alta capacidad de expandirse.

CLASIFICACIONES DE STINI Y LAUFFER Stini, en su manual de geología de túneles, propuso una clasificación de los macizos rocosos y comentó muchas de las condiciones adversas que pueden encontrarse en la construcción de túneles. Insistió sobre la importancia de los defectos estructurales de la roca y desaconsejó que se excavara paralelo al rumbo de discontinuidades muy inclinada.

Mientras Terzaghi y Stini hablan estudiado la inestabilidad en relación con el tiempo en los túneles, fue Lauffer quien llamó la atención sobre la importancia del tiempo de sostén del claro activo en un túnel. El tiempo de sostén es el lapso durante el cual un excavación será capaz de mantenerse abierta sin ademe, mientras que el claro activo es el claro sin ademe mas grande en el túnel entre el frente y los refuerzos, como lo ilustra la figura 2.

Lauffer pensó que el tiempo de sostén para un claro activo cualquiera está relacionado con las características de la roca conforme lo ilustra la figura 3. En esta figura la letras se refieren a la clase de roca. A corresponde a una roca muy buena, o sea la roca tenaz e inalterada de Terzaghi y G corresponde a una roca muy blanda, más o menos la roca comprimida o expansiva de Terzaghi.

El trabajo de Stini y Lauffer que se publicó en alemán ha despertado poco interés e el medio de habla inglesa. Sin embargo ha tenido una influencia determinante en los sistemas de clasificación más recientes como los que propusieron Brekke y Howard" Bieniawski," mismos que se estudiarán más adelante en este capitulo.

ROCK QUALITY DESIGNATION (RQD) - EL ÍNDICE DE CALIDAD DE ROCA DE DEERE En 1964 Deere propuso un índice cuantitativo de la calidad de la roca basado en la recuperación de núcleos con perforación de diamante. Se llama el sistema Rock Quality Designation (RQD) — Indice de Calidad de Roca — Se ha usado en todas parles y se ha comprobado que es muy útil en la clasificación del macizo rocoso para la selección del refuerzo para los túneles,

La RQD se define como el porcentaje de núcleos que se recuperan en piezas enteras de 100 mm o más, del largo total del barreno. Por lo tanto;

RQD(%) = 100 x oodelbarrenL

mmmayoresalosnucleosLongituddearg

100

Esta normalmente aceptado que el RQD se establece en núcleos de cuando

menos de 50 mm de diámetro, recuperados con una perforadora de diamante de doble barril. Un valor RQD se daría para cada tramo perforado de digamos 2 metros. Esta operación es sencilla y rápida, y si se ejecuta conjuntamente con el registro geológico normal del sondeo. casi no aumenta el costo de la exploración.

Deere propuso la siguiente relación entre el valor numérico RQD y la calidad de la roca desde el punto de vista en la ingeniería:

RQD Calidad de roca < 25 % Muy mala

25 – 50 % Mala 50 – 75 % Regular 75 – 90 % Buena

90 – 100 % Muy buena

Ya que la RQD permite dar un valor numérico a la calidad de la roca. no es de sorprenderse que se haya tratado de relacionar este número con la clasificación cualitativa de Terzaghi. Cordmg, Hendron y Deere" modificaron el factor de carga de roca de Terzaghi y relacionaron este valor modificado con el RQD como lo muestra la figura 4. Este diagrama sugiere que puede haber una correlación razonable entre el RQD y el factor de carga de roca de Terzaghi para excavaciones con ademe de acero, pero que esta correlación desaparece en el caso de una excavación reforzada con pernos. Esto confirma nuestro comentario anterior de que el factor de carga de roca de Terzaghi debe limitarse a aquella condición para la que se ideo: el refuerzo de túneles con marcos de acero.

Merritt hizo un intento de llevar la aplicabílidad del RQD hasta donde pudiera servir para determinar el tipo de ademe necesario en un túnel y su propósito se ilustra en la figura 5. Aunque estaba convencido de que el RQD era importante para determinar los sistemas de soporte, él mismo encontró una seria limitación a su propósito:

"El criterio de refuerzos del RQD tiene limitaciones en el caso de que haya fractura con rellenos delgados de arcilla o de material meteorizado. Este caso puede presentarse cerca de la superficie donde la meteorización o las infiltraciones hayan producido arcilla, lo que reduce la resistencia a la fricción a lo largo de los planos de fractura, Esto generará una roca inestable aun si las fisuras están muy separadas una de otra y el valor de la RQD es alto".

Aparte de esta limitación, el RQD no toma en cuenta otros factores como por ejemplo la orientación de las juntas, lo que también tiene su importancia para el comportamiento de la roca alrededor de una obra subterránea. En con- secuencia, sin querer restar méritos al RQD como método rápido y económico para dar indicios, también es cierto que no provee información adecuada sobre los muchos fenómenos de comportamiento de la roca que se pueden presentarse en una excavación.

INFLUENCIA DE LAS GRIETAS CON ARCILLA Y DEL RELLENO DE FALLAS

Ya se han examinado las deficiencias del Índice RQD en lugares donde hay arcillas y materiales meteorizados. Brekke y Howard" señalan que es tan importante y a veces más aún clasificar las discontinuidades según su naturaleza que indicar sus parámetros dentro de una escala. Y a continuación estudian siete grupos de rellenos de discontinuidades que tienen una influencia importante sobre el comportamiento de la roca que las contenga. Aunque su Lista no constituya una clasificación de rocas, la incluimos en este capitulo a causa de las implicaciones nefastas que puede acarrear su desconocimiento en el diseño de una excavación.

Los comentarios de Brekke y Howard sobre los rellenos en discontinuidades son como sigue;

1. Las grietas, las fisuras y a veces incluso las fallas menores pueden sellarse gracias a la precipitación de soluciones de cuarzo o de calcita. En este caso, la discontinuidad puede quedar "soldada". Estas discontinuidades, sin embargo, pueden volverse a romper, formando nuevas superficies. También hay que insistir en el hecho que puede haber cuarzo o calcita en una discontinuidad sin soldarla.

2. Discontinuidades limpias, o sea sin rellenos o recubrimientos, Muchas fisura

fracturas serán de este tipo. Sin embargo, cerca de la superficie habré que cuidarse de no confundir discontinuidades limpias con discontinuidades "vacias" donde el relleno ha sido lavado por el agua de la lluvia.

3. Los rellenos de calcita, en especial cuando son porosos o en hojuelas,

pueden disolverse durante el tiempo de vida de la obra subterránea. Con esta disolución desaparece, desde luego, su ayuda a la resistencia de la excavación. Este es un problema estabilidad a largo plazo y a veces de movimiento de fluidos que es fácil olvidar durante la fase del diseño o de la construcción, Rellenos de yeso pueden comportarse de la misma forma.

4. Recubrimientos o rellenos de clorita, talco o grafito hacen las juntas muy

resbalosas (o sea, de poca resistencia) sobre todo cuando están húmedas.

5. La arcilla inerte en juntas y fallas representa desde luego un material muy débil que puede quedar comprimido o lavado.

6. Las arcillas expansivas pueden causar serios problemas por la expansión

libre y pérdida consecuente de resistencia, o por la formidable presión expansiva cuando están confinadas.

7. Un material que se ha alterado en otro material de menor cohesión (tipo

arena puede fluir e irrumpir en un túnel inmediatamente después de la excavación.

Al contrario de lo que comenta Merritt acerca de que Las fracturas rellenas de arcillas se presentan más bien cerca de la superficie. Brekkc y Selmer-Olsen informan que han encontrado fracturas con rellenos poco consolidados hasta grandes profundidad Por lo tanto, el proyectista nunca podrá ignorar el peligro que puede resultar de la existencia de estas circunstancias. Brekkc y Howard han resumido las consecuencias de encontrar discontinuidades rellenas durante la excavación de un túnel en una tabla que se reproduce como taba en la siguiente pagina.

CLASIFICACIÓN CSIR DE LOS MACIZOS ROCOSOS FIGURADOS No existe clasificación sencilla alguna que pueda dar una idea del comportamiento complejo de la roca que rodea una excavación y esto es lo que se habrá comprendido del comentario anterior. Por lo tanto, puede ser necesaria alguna combinación de los factores como el RQD y la influencia de rellenos arcillosos y de la meteorización Bieniawski, " del South African Council for Scientific and Industrial Rcscarch (CSIÍ (Consejo de África del Sur para la Investigación Científica e Industrial) propuso una clasificación de este tipo. Ésta se estudiará con algo de detenimiento ya que se trata ( una de las dos clasificaciones que los autores de este libro recomendarían para usarse ( el diseño preliminar de excavaciones subterráneas. Bieniawski" aconseja que una clasificación de un macizo rocoso fisurado debe;

1. "Dividir el macizo en grupos de comportamiento parecido

2. Proporcionar una buena base para la comprensión de las características del

macizo.

3. Facilitar la planeación y el diseño de estructuras en la roca al proporcionar datos cuantitativos que se necesitan para la solución de problemas de ingeniería, y

4. Proporcionar una base común de comunicación efectiva para todas las

personas interesadas en un problema de geomecánica"

Tabla 5 C. Clasificación rocas según el total de evaluación Evaluación 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 < 20

Clasificación Nª I II III IV V Descripción Muy

BuenaRoca Roca Buena Roca Regular Roca Mala Roca Muy

mala D. Significado de la clasificación del macizo rocoso

Clasificación Nª

I II III IV V

Tiempo medio de sostén

10 años para claro de 5 mts

6 meses para claro de 4 mts

1 semana para claro de 3 mts.

5 horas para claro de 1,5 mts

10 minutos para claro de 0.5 mts

igual manera al comportamiento del macizo- Por ejemplo, un RQD de 90 y una

resistencia a la compresión uniaxial de 200 MPa parecerían indicar una Roca de Calidad excelente, pero una infiltración grande en esta misma roca puede cambiar radicalmente esta opinión. Por lo tanto. Bieniawski aplicó una serie de "valuaciones de importancia" de sus parámetros en concordancia con las ideas de Wickham, Tiedemann y Skinner. Cierto número de puntos o una valuación se otorga a cada serie de valores de cada parametro y se llega a una valuación general del macizo al sumarse la valuación de cada uno de los parámetros. Esta valuación general necesita un ajuste por el concepto de la orientación de las fisuras o que se logra cuando se aplican las correcciones que señala la parte B de la tabla 5.

En la tabla 6 se da una explicación de los términos descriptivos usados para este fín. La parte C de la tabla 5 muestra la clasificación y la descripción del macizo rocoso según las varias valuaciones totales. En la parte D de la tabla 5 se da una interpretación de estas valuaciones en términos de tiempo de sostén para las excavaciones subterraneas y los parámetros de la resistencia del macizo rocoso.

Bieniawski ha relacionado su valuación del macizo rocoso (o marcador total de

la valuación del macizo) con el tiempo de soporte de un claro activo sin ademe como lo propuso originalmente Lauffer. La relación de referencia se señala en la figura 6 de la página 36, y un ejemplo práctico que implica el uso de esta figura se examina más abajo. La aplicación de la Clasificación Geomecánica (CSIR) para elegir el sistema de refuerzo subterráneo no se discutirá aquí sino en un capitulo posterior que trata de los refuerzos para la roca.

Ejemplo práctico del uso de La clasificación de geomecánica (CSIR)

Considérese el ejemplo de un macizo granítico en el que hay que perforar un túnel la clasificación tendrá que llevarse a cabo de la manera siguiente:

El túnel quedó orientado de tal forma que el sistema principal de fisuras tiene

un rumbo perpendicular al eje del túnel con un echado de 30° contra la dirección de la penetración. La tabla 6 señala que esta situación es desfavorable, por lo que se hace un ajuste de —10 según la Tabla 6D. En esta forma el marcador final es de 59, lo que coloca la roca en la parte alta de la Clasificación III con mención "regular".

La figura 6 indica un tiempo de sostén de aproximadamente 1 mes para un túnel de 3 m sin ademe.

Índice de calidad de túneles (NGI)

Basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavaciones subterráneas, Barton. Lien y Lunde del Norwegian Geotechnical Institute (NG I) (Instituto de Geotecnía de Noruega), propusieron un índice para determinar la calidad del macizo en túneles. El valor numérico de este índice Q se define por:

Q = SRFJ

JJ

JRQD w

a

r

n

××

Donde:

RQD = es el índice de calidad de la roca de Deere

J = es el número de sistemas de fisuras (joint set number)

Jr = es el número de la rugosidad de las fisuras (joint roughness number)

JA = es el número de la alteración de las fisuras (joint alteration number)

JW = es el factor de reducción por agua en las fisuras (joint water reduction factor)

SRF = es factor de reducción por esfuerzos (stress reduction factor)

La definición de estos términos se entiende por si solo, sobre todo si el valor numérico de cada uno se saca de la Tabla 7.

Se ve ahora que la calidad Q de roca para los túneles puede considerarse con una función de sólo tres parámetros que son medidas aproximadas de:

1. El tamaño de los bloques (RQD/J,,) 2. La resistencia al esfuerzo cortante entre bloques (Jr/Ja) 3. Los esfuerzos activos (Jw/SRF)

La relación de soporte de la exacción ESR tiene que ver con el uso que se pretende da a la excavación y hasta dónde se le puede permitir cierto grado de inestabilidad Barcón da los siguientes valores supuestos para ESR:

Tipo de excavación ESR

A. Excavaciones mineras provisionales. 3 –5

B. Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua para

obras hidroeléctricas (con la excepción de las cámaras de alta presión para compuertas), túneles piloto (exploración), excavaciones parciales para cámaras subterráneas grandes. 1.6

C. Cámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento de

aguas, túneles carreteros y ferrocarriles pequeños, cámaras de alta presión, túneles auxiliares. 1.3

D. Casas de máquinas, túneles carreteros y ferrocarrileros mayores, refugios de defensa civil, portales y cruces de túnel. 1.0 E. Estaciones nucleoeléctricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, insta-laciones para deportes y reuniones, fábricas, 0.8

La ESR es más o menos análoga al inverso del "factor de seguridad" empleado en el diseño de taludes.

La relación entre el índice de Calidad para Túneles Q y la dimensión equivalente De de una excavación que se sostendrá sin ademe se ilustra en la figura 1. Barton- Lien Lunde, y Barton," presentaron unas gráficas mucho más complicadas a partir de lo cuales se pueden estimar las necesidades de ademe; se pospone el estudio de estas gráficas para un capitulo posterior en el que se

En la figura 7 se ve que la dimensión equivalente De máxima para una excavación sin ademe en este macizo es de 4 metros. Una cavidad subterránea permanente tiene una relación de refuerzo-excavación ESR de 1.6 y por lo tanto el claro sin soporte máximo que se puede considerar para esta planta de trituración es de ESR X De = 1.6 X 4 = 6.4 mts.

Luego:

Se requiere una planta subterránea de trituración en el pie de roca caliza de una formación de vetas de plomo-zinc y se necesita saber el claro que se podrá dejar sin ademe. Se hace el análisis en la forma siguiente;

Ejemplo práctico de la utilización del Índice de Calidad de Túneles (NGI)

examinarán en detalle los sistemas de ademe

Concepto Descripción Valor

6. Reducción de esfuerzos Esfuerzos medianos SRF = 1.0 las fisuras JW= 0.33 5. Estado del agua en Grandes infiltraciones 4. Estado de fisuras Relleno de arcillas JA = 4 3. Rugosidad de fisuras Rugosas Jr = 3 2. Sistemas de fisuras 2 sistemas Jn = 4 1. Calidad de roca Buena RQD = 80%

Q = 133.0

43

480

×× = 5

DISCUSIÓN SOBRE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS

De los varios sistemas de clasificación de macizos que se describen en este capitulo, el sistema CSIR que propone Bieniawski, y el sistema NGI propuesto por Barton. Lien y Lunde son de un interés muy especial, ya que incluyen un número suficiente de datos para poder evaluar correctamente todos los factores que tienen influencia en la estabilidad de una excavación subterránea. Bieniawski parece dar más importancia a la orientación y la inclinación de los accidentes estructurales de la roca y no dar ninguna a los esfuerzos en La roca. La clasificación NG I no incluye el factor de la orientación de Las fisuras pero si considera las propiedades de los sistemas de fisuras más desfavorables al valuar la rugosidad de las fisuras y su grado de alteración, ambos representando la re-sistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso.

Ambos sistemas de clasificación señalan que La orientación o inclinación estructurales son de menor importancia que lo que uno piensa y que una simple diferencia entre favorable y desfavorable es adecuada para la mayoría de los casos prácticos. Aunque esto se puede aceptar para la mayoría de los casos que se encuentren en el campo, hay algunos casos en materiales como la pizarra que tienen características estructurales tan importantes que tenderán a dominar el comportamiento de macizos. En otros casos, grandes bloques pueden quedar aislados por unas cuantas discontinuidades y causar problemas de estabilidad durante la excavación. Para tales casos los sistemas de clasificación que hemos estudiado en este capitulo serán quizá inadecuados y se necesitarán conside-raciones especiales para la relación entre la geometría del macizo y La excavación..

Se han empleado ambos sistemas (CSIR y NGI) en el campo y han compro-bado que los dos son sencillos de usar y de mucha ayuda para tomar decisiones prácticas difíciles. En la mayoría de los casos se utilizan ambas clasificaciones y tanto de La valuación de macizo (RMR. Rock Mass Rating) como la Calidad para Túneles (Q) se utilizan para llegar a solucionar un problema. Se puede comprobar que La ecuación RMR = 9 Log,Q + 44 que propone Bieniawski" corresponde en forma adecuada a la relación que existe entre ambos sistemas.

Cuando se trata de problemas en terrenos de mala calidad extrema que implican rocas comprimidas o expansivas o grandes flujos de agua (vea La clasificación de Terzaghi en La tabla 1), se ha visto que la clasificación CSIR es de aplicación difícil. Esto es comprensible ya. que el sistema se ideó originalmente.para tuneles a baja profundidad en roca dura fracturada. Por lo tanto, si se trabaja en terreno extremadamente malo. se recomiendan que se utilice el sistema NGI.

Al estudiar los sistemas de clasificación CSIR y NGI, se ha concentrado sobre La clasificación básica de los macizos, y en base a esta clasificación determinar si se necesita ademe o no. Bieniawski" " y Barton, Lien y Lunde se extendieron para aplicar sus clasificaciones hasta determinar el tipo de ademe que habría que usar. El diseño detallado de refuerzos para las excavaciones subterráneas que incluye

el uso de las clasificaciones de los macizos para ayudar a escoger el tipo de sistema de ademe.